家庭装修设计中基于虚拟人疲劳分析技术的应用研究

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摘要：围绕家装设计中的人因优化问题进行研究，对家装设计过程中容易引起人体疲劳的原因开展针对性研究，并以计算机辅助人因工程软件Jack为手段进行了实例验证。旨在发现家装设计过程中的不合理因素，以提高家装设计效率并保证布局设计结果的最优化。

Abstract： In the field of house decoration human factor analysis is paid more and more attention， in which human fatigue analysis takes an important part. This paper focuses on the optimization of human factors in the house decoration process. The purpose is to find out the unreasonable factors in the process of house decoration process so as to improve the efficiency of house decoration and ensure the optimization of the layout design result.

P键词：虚拟人；Jack；家装设计；疲劳分析；布局优化

Key words： virtual human；jack；house decoration；fatigue analysis；layout optimization

中图分类号：TU238+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0140-03

0 引言

当今时代，家的概念不断发展与更新，特别是作为居住的“家”，成为家庭成员生活的根本，家庭装修的重要性越来越得到普遍重视，起居舒适、心理愉悦、活动方便等成为评价家装装修成功与否的主要标准。另一个客观事实是，对多数人在家庭装修过程中经历过不同程度的挫折，或发现问题后拆修返工，装修成本突破预算；或接受由于考虑不周所形成的装修缺陷，忍受给以后的生活带来不便。如何能在装修过程早期发现设计缺陷，及时修改成为一种需要。实际上基于仿真的方法在工业产品设计和制造领域已经有非常成熟和普遍的应用，对提高产品质量起到了积极的促进和保证作用。本文试图将虚拟人疲劳分析技术引入家庭装修活动中，并借助商业软件研究基于虚拟人活动的装修分析过程与方法。最后也将探索“以人为中心”的家庭装修理念。

1 家装设计布局对人体疲劳产生的影响因素分析

1.1 家装设计布局中的人因学

家装设计布局是指，根据家庭活动基本需求，在给定的室内空间场地内，对多个设施的空间位置做适当的分配安排和最有效的组合，以期获得最大的使用效益。所谓的设施包括占据空间的任何实体，如橱柜、洗衣机、冰箱、抽油烟机、灶台、操作台、桌子、货架等，当然也包括人员本身。

优化的家装设计布局，是保证家庭资源有效利用，体现“以人为中心”的家居生活理念的最好体现，具体包括：

①提高效率。合理的家装设施布局，可以简化家庭活动的操作顺序，减少疲劳动作发生，实现室内活动的均衡性。②提高安全。设施布局合理，可以避免室内物体搬运路线过长、过复杂而引起的碰伤、刮伤、烫伤等现象，如高压锅与操作台搬运距离过远，不仅搬运费力而且极易烫伤人员。③改善环境。合理的家装设施布局，使家庭生活更加舒心惬意，为家人提供健康、舒适、安全的生活环境，减少人员的劳动损伤风险。

1.2 人体疲劳分析

人体能量的产生和消耗称为能量代谢能耗，它通过人体的氧耗量反映出来，单位为千卡（kcal），单位时间内人体的代谢能耗称为代谢能耗率，人体的劳动强度是以作业过程中人体的能耗量、氧耗量、心率、排汗率或相对代谢率作为评判指标，除此之外，人体在静态情况下也需要消耗一定的能量，称为姿势代谢能耗。在室内劳动作业中，本文认为人体的代谢能耗可以相应地划分为动作代谢能耗和姿势代谢能耗，其中动作代谢能耗的计算需要提取作业仿真过程的各项动作参数，姿势代谢能耗的计算需要获取作业仿真过程中人体各种姿势的持续时间。

1.3 基于Jack的家庭装修人体疲劳分析基本思路

目前，应用于工程领域和娱乐领域的虚拟人软件并不鲜见。考虑到家庭装修人体疲劳分析的要求，研究中选择Jack软件作为支撑工具。Jack软件是西门子公司的一款工业设计用途软件，不仅含有欧洲人和亚洲人的人体测量数据，能够支持虚拟人建模与运动仿真，还有人的疲劳程度、舒适度、力量等生理学参数，在社会生活、工业设计、体育与军事训练等领域得到了广泛应用。根据Jack的特点，基于Jack的家庭装修人体疲劳分析基本思路如图1所示。

数据获取是通过实地测量获得论文研究的基础数据，包括房屋和装修部件数据的测量、人体尺寸数据测量以及室内活动数据提取等。使用三维建模软件对测量数据进行建模，包括房屋结构建模、装修部件建模等，之后借助于Jack的三维模型导入模块，将生成的数据模型导入Jack平台。然后在Jack平台中定制一个身体尺寸结构与家装主人相一致的虚拟人模型，借助于Jack的仿真工具栏完成虚拟人室内活动建模和虚拟人室内活动仿真。最后使用Jack的工效学分析模块仿真计算某项室内活动的人体疲劳数据，进行原因分析并提出家装设计的改进意见建议。

注意，三维建模、室内活动仿真、疲劳分析及反馈是一个连续反馈的循环结构，直到设计出最优化的家装设施布局为止。

2 操作台作业的人因学分析与评估

2.1 操作台仿真场景构建

选择笔者居住的80年代老式楼房作为研究对象，以该楼房厨房装修活动作为研究实例。采用3Dmax为三维建模工具，对厨房进行建模。通过实地测量获得该厨房的尺寸为长550cm×宽320cm×高270cm。装修部件为实际规划的内容，包括橱柜、洗衣机、冰箱、抽油烟机、灶台、操作台等，以.WRL格式导出，便于Jack平台使用，厨房3Dmax建模效果如图2所示。